Tumeenergia: jõud, mis moodustab 68% universumist

Umbes 68% kõigest olemasolevast on midagi, mida ükski instrument pole kunagi otseselt tuvastanud: tumeenergia. Kosmoloogid hindavad praegu tumeaine osakaaluks 27% ja tavalise aine — tähtede, planeetide ja inimeste ehitusmaterjali — osakaaluks vaid 5%. Kuigi tumeenergia kaalub üles kõik muu kokku, jäi see nimetuseta ja märkamatuks kuni kahekümnenda sajandi viimaste aastateni.

See muutus 1998. aastal, kui kaks konkureerivat meeskonda, kes uurisid plahvatavaid tähti, leidsid, et universumi paisumine hoopis kiireneb, mitte ei aeglustu. Tulemus oli nii ootamatu, et see sundis füüsikuid pöörduma tagasi idee juurde, mille Albert Einstein oli kunagi kasutusele võtnud ja seejärel aastakümneid tagasi hüljanud.

See artikkel selgitab, mida need vaatlused tegelikult näitasid, kuidas universumi kõige vanem valgus neid kinnitab ja miks tumeenergia seletamist peetakse endiselt üheks füüsika kõige raskemaks lahendamata probleemiks.

Jaotus 68/27/5 on kosmoloogia praegune parim hinnang kõigele olemasolevale ning seda täpsustatakse pidevalt vahendite paranedes. Euroopa Kosmoseagentuuri Plancki satelliidi andmed hindasid tumeaine osakaaluks 26,8%, peaaegu viiendiku võrra kõrgemaks kui varasemad hinnangud olid näidanud — märk sellest, et isegi kosmoloogia "kindlaks jäänud" numbrid on endiselt liikuvad sihtmärgid.

Tumeenergia teeb kummaliseks see, kuidas ta domineerib kosmilises bilansis, olles ise vaevu olemas. Selle tihedus on umbes 7×10⁻³⁰ grammi kuupsentimeetri kohta, mis vastab ligikaudu 6×10⁻¹⁰ džaulile massi-energiat kuupmeetri kohta — palju vähem kui see, mida saavutavad tavaline aine või tumeaine galaktikasse kokku surutuna. Ta võidab bilansi mitte sellega, et oleks kuskil kontsentreeritud, vaid lihtsalt sellega, et teda on kõikjal korraga, mistõttu tema kogumõju kasvab koos universumi enda kasvuga.

Ammu enne, kui keegi kiirenemist mõõtis, oli Einstein juba loonud matemaatilise tööriista, mis selle lõpuks kirjeldaks. Ta lisas oma gravitatsioonivõrranditesse lisaliikme, mille eesmärk oli võimaldada staatilist, muutumatut universumit, mis oli tema ajastu tavapärane eeldus. Kui hilisemad vaatlused näitasid, et kosmos hoopis paisub, loobus Einstein oma parandusest ise, nimetades seda eksituseks.

See hüljatud liige jäi suuresti unustusse, kuni kosmoloog Michael S. Turner elustas kontseptsiooni uue nimetuse all. 1998. aastal koos Saul Perlmutteri ja Martin White'iga kirjutatud artiklis lõi Turner mõiste "tumeenergia" jõu jaoks, mis oli äsja avastatud kiirenemise taga — taastades sisuliselt just selle idee, mille Einstein oli hüljanud.

Läbimurre saabus 1998. aastal, kui kaks konkureerivat rühma — ühel pool Supernova Cosmology Project, teisel pool High-Z Supernova Search Team — kasutasid teineteisest sõltumatult kaugeid Ia tüüpi supernoovasid, et jälgida, kuidas kosmilise paisumise tempo on miljardite aastate jooksul muutunud.

Need konkreetsed supernoovad on usaldusväärsed kosmilised mõõdupuud, sest nad plahvatavad väga järjekindlalt. Need tekivad, kui süsiniku-hapniku valge kääbuse mass läheneb umbes 1,44 päikesemassile — piirile, millest edasi ei suuda täht enam ennast koos hoida. Kuna see piir on tähtede lõikes peaaegu identne, saavutavad tekkivad plahvatused võrreldava tippheleduse, mis võimaldas mõlemal meeskonnal neid kasutada kauguste hindamiseks. Kui neid kaugusi võrreldi valguse punanihke suurusega, andsid numbrid mõtet ainult siis, kui paisumine ise kiirenes.

Tumeenergia lugu kulgeb läbi ka kõige vanema valguse, mida astronoomid näha suudavad. Kosmiline mikrolainetaustkiirgus avastati täiesti juhuslikult 1965. aastal, kui kaks Bell Labsi teadlast, Arno Penzias ja Robert Wilson, otsisid raadiohäirete allikat ja sattusid selle asemel kogu taevast katvale nõrgale hõõgusele.

See hõõgus on hetktõmmis kosmosest ligikaudu 375 000 aastat pärast selle teket, ajast, mil kõik oli veel kuum ja tihe osakeste supp. Kuna ruum on sellest ajast alates venitatud, on valgus ise koos sellega venitatud ning jahtunud tänaseks mikrolainepikkusteni, mis vastavad vaid 2,7 kraadile üle absoluutse nulli. 1992. aastal avastas NASA satelliit Cosmic Background Explorer, et see hõõgus ei ole täiesti ühtlane — see kannab endas pisikesi temperatuurierinevusi üle kogu taeva ning just neid erinevusi üha täpsemalt kaardistades jõudsid kosmoloogid tänase 68/27/5 valemini.

Teadmine, et tumeenergia eksisteerib, on üks asi; selgitada, mis see tegelikult on, on palju keerulisem. Üks juhtiv idee käsitleb seda tühja ruumi sisemise energiana — vaakumina, mida kirjeldab kvantväljateooria. Probleem on selles, et kui füüsikud üritavad arvutada, kui palju energiat see vaakum peaks kandma, ületab tulemus tegelikult vaadeldut umbes 120 suurusjärgu võrra — nii tohutu lõhe, et mõned teadlased peavad seda füüsika kõige ebatäpsemaks arvutuseks üldse. Ühtki matemaatilist kohandust pole see lõhe suutnud sulgeda, mis on suur põhjus, miks tumeenergiat peetakse endiselt lõpetamata küsimuseks.

Kui tumeenergia pole tegelik, peab kiirenemist seletama midagi muud — ja peamine alternatiiv on see, et Einsteini enda gravitatsiooniteooria lakkab kehtimast, kui vahemaad muutuvad piisavalt suureks, lastes ruumil venida kiiremini, kui gravitatsioon seda suudab pidurdada. Selle võimaluse välistamine võttis aastakümneid ja see sai võimalikuks alles siis, kui astronoomid said gravitatsioonilaineid otse mõõta.

GW170817, esimene gravitatsioonilaine, mis kinnitati ka mitte-gravitatsiooniliste vaatlustega, võimaldas füüsikutel mõõta gravitatsiooni kiirust piisavalt täpselt, et välistada paljud tumeenergia alternatiivina pakutud muudetud gravitatsiooni teooriad.

Lugu pole veel läbi. Dark Energy Spectroscopic Instrumenti koostööprojekt teatas 2025. aasta märtsis, et tumeenergia tugevus ei pruugi lõppude lõpuks olla konstantne. Kombineerides instrumendi barüonsete akustiliste ostsillatsioonide andmed kosmilise mikrolainetaustkiirguse mõõtmistega, nõrga gravitatsioonilise läätsestumise ülevaadetega ja supernoovade kataloogidega, leidis meeskond tõendeid ajas muutuva tumeenergia kohta, mille statistiline usaldusväärsus jäi olenevalt kombineeritud andmestikest 2,8 ja 4,2 sigma vahele.

See tulemus on huvitav, kuid pole veel lõplikult kinnitatud, mistõttu jääb tumeenergia tegelik olemus lahtiseks küsimuseks aastakümneid pärast seda, kui Turner talle esimest korda nime andis.

• NASA: WMAP ülevaade
• ESA: Planck paljastab peaaegu täiusliku universumi
• Phys.org: püüdlus lahendada Einsteini teooria mõistatus
• Scientific American: kas kosmoloogia on lõppemas?
• Wikipedia: tumeenergia
• Wikipedia: universumi kiirenev paisumine
• Wikipedia: kosmoloogiline konstant
• Wikipedia: Ia tüüpi supernoova